La física ha demostrado que el universo está hecho de campos cuánticos, siendo las partículas epifenómenos derivados de los campos (recuerda que un epifenómeno es un “fenómeno accesorio que acompaña al fenómeno principal y que no tiene influencia sobre él”).
Ya lo dijo Richard Feynman en su conferencia Nobel en 1965, “there exists only a single electron in the universe, propagating through space and time in such a way as to appear in many places simultaneously” (“sólo existe un único electrón en el universo, que se propaga por el espacio y el tiempo de tal forma que parece que está en muchos sitios simultáneamente.”
Según cuentan fue John Wheeler quien le sugirió esta idea a Feynman en una conversación por teléfono en la primavera de 1940.
¿Qué quería decir Feynman con esta frase en apariencia sin sentido?
Lo que nos cuentana Wheeler y Feynman con esta frase es que el electrón no existe como concepto fundamental en el universo, lo que existe es el campo del electrón y hay un único campo del electrón en todo el universo. Todos los electrones que observamos en el universo son excitaciones localizadas de dicho campo. Por ello todos son exactamente idénticos e indistinguibles entre sí.
Ser consciente de que el universo está hecho de campos y no de partículas es muy importante para entender los problemas asociadas a la interpretación de la mecánica cuántica no relativista, sobre todo en relación a la dualidad onda-partícula, el problema de la medida, el colapso de la función de onda, la no localidad y muchas otras paradojas (en apariencia).
El “misticismo cuántico” y las “pseudociencias cuánticas” tienen su origen en estas supuestas paradojas, ya que si los científicos afirman que no entienden la mecánica cuántica, entonces los pseudocientíficos, que tampoco la entienden, se sienten en potestad de abusar de ella a su libre albedrío.
Este estado de la cuestión ha sido mantenido por muchos libros de texto que enseñan la mecánica cuántica sin aclarar que se trata de una aproximación a la realidad, en el límite de bajas velocidades, es decir, de baja energía y de bajo momento, una aproximación a la mecánica cuántica relativista, es decir, una aproximación a una teoría cuántica de campos. La función de onda cuántica es una representación efectiva y aproximada a los campos cuánticos.
En opinión de Art Hobson, opinión que yo también comparto, la enseñanza de la física cuántica no relativista (llamada “mecánica cuántica” a secas) debe realizarse desde el punto de vista de los campos.
Aunque se omita todo el formalismo técnico, de gran dificultad para los alumnos en un primer curso sobre la materia, las ideas que subyacen no deben ser omitidas.
En física de alta energía la mayoría de los físicos teóricos, si no todos, creen la entidad fundamental es el campo cuántico y que las partículas (electrones, fotones, quarks, etc.) son meras excitaciones (ondas) localizadas en dichos campos. Cuando a baja energía se habla de partículas a secas, aparecen paradojas, como que una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo, que se resuelven fácilmente cuando se da cuenta de son excitaciones de un campo.
El ejemplo paradigmático, el experimento de doble rendija, nos lleva a dificultades como ¿por qué rendija pasa la partícula?
O si ¿pasa la partícula al mismo tiempo por ambas rendijas?
Frases tan famosas de Richard Feynman como “Si usted piensa que entiende a la mecánica cuántica… entonces usted no entiende la mecánica cuántica” están sacadas de contexto y en su contexto original abogaban por sustituir el concepto de partícula por el concepto de campo. Uno de los conceptos más importantes de la física moderna.
La noción de campo nació en la física clásica de forma indirecta con la explicación de la gravedad de Isaac Newton (1643-1727) a finales del siglo XVII y su famosa acción a distancia.
El concepto de campo no aparece de forma explícita en los Principia Mathematica, pero ante las críticas, Newton añadió un apéndice a la tercera edición de los Principia incluyendo su famoso ”hypotheses non fingo” (en latín “no propongo ninguna hipótesis”).
La intuición de Newton era que el universo está lleno de un campo, algo parecido al ”éter”, como explicó en unas cartas a colegas, un campo que explica la acción a distancia de la gravedad, pero como Newton no encontró ningún indicio experimental de su existencia, se limitó a su “hypothesis non fingo”.
Ya en el siglo XIX, la noción de campo reapareció para entender tanto la gravedad como el electromagnetismo, de la mano de Michael Faraday (1791-1867).
Para evitar el concepto de acción a distancia, Faraday propuso que el espacio está constituido por las “líneas de fuerza” de los campos; no es que los campos estén en el espacio de igual manera a como una partícula está en el espacio, sino que los campos son algo intrínseco al propio espacio, en cierto sentido son propiedades del propio espacio.
James Clerk Maxwell (1831-1879), más newtoniano y más matemático que Faraday, invocó al concepto de éter mecánico, un medio contenido en el espacio que obedecía las leyes de Newton. Para Maxwell, las líneas de fuerza de Faraday corresponden a un estado oscilatorio u ondulatorio del “éter” interpretado como medio material.
Pero la búsqueda infructuosa de indicios experimentales de la existencia del “éter” llevó a reivindicar la idea de Faraday del campo electromagnético como un mero estado del espacio.
Albert Einstein (1879-1955) llevó las ideas de Faraday al extremo con su teoría especial de la relatividad en 1905 y sobre todo con su teoría general de la relatividad en 1915. El campo gravitatorio es espaciotiempo curvado y el espaciotiempo curvado es un campo gravitatorio.
El “éter” no existe como medio material en el espacio para sustentar los campos electromagnéticos, que no son más que una propiedad del propio espaciotiempo e indisolubles a él.
La versión primitiva de la mecánica cuántica, uno de cuyos creados fue el propio Albert Einstein, retomó la idea de partícula gracias a la llamada dualidad onda-corpúsculo.
La interpretación original del efecto fotoeléctrico (que llevó el Premio Nobel al bolsillo de Einstein) o incluso el efecto Compton parecía favorecer la existencia de partículas (los campos electromagnéticos formados por fotones) y en definitiva un universo hecho de partículas, no de campos.
Esta idea desagradaba a Einstein y muchos otros físicos porque lleva de forma natural a las paradojas asociadas a la localidad, como la interpretación con partículas del experimento de doble rendija.
Sin embargo, hoy sabemos que todos estos experimentos se pueden interpretar a la perfección con el lenguaje de los campos siendo las partículas en relación a los campos como las burbujas en una cámara de burbujas son a las trayectorias de las partículas que las producen.
Todos los experimentos de principios del siglo XX que llevaron a la idea de la dualidad onda-corpúsculo tienen una interpretación natural en el marco de los campos, aunque muchos libros de texto obvian esta interpretación por considerarla conceptualmente demasiado avanzada para los estudiantes de un primer curso de física cuántica.
Como bien nos cuenta Art Hobson, de la Universidad de Arkansas, en su artículo en American Journal of Physics, si uno lo piensa bien estas ideas lo único que hacen es complicarle la vida al estudiante que tiene dos opciones: optar por el ”¡cállate y calcula!” de David Mermin, o enfrascarse en las discusiones metafísicas y filosóficas sobre la interpretación de la mecánica cuántica.
El concepto de campo es la liberación que todo estudiante de física necesita, aunque para calcular fenómenos a baja energía no utilice este concepto de forma explícita.
La ecuación de Schroedinger es la ecuación de un campo, pero en lugar de describir a las partículas como tales, describe la amplitud de probabilidad de que una partícula sea localizada en cierta región del espaciotiempo.
Sin embargo, la teoría cuántica relativista para describir el electromagnetismo era una teoría cuántica de campos. Entender la ecuación relativista de Dirac para el electrón desde el punto de vista de las partículas llevó a paradojas, como la necesidad del mar de Dirac, que se resolvieron cuando se asumió que dichas ecuaciones describían un campo para el electrón, que era la excitación de un campo que presentaba dos tipos de excitaciones, los electrones y sus antipartículas, los positrones.
La teoría cuántica de campos tuvo un enorme éxito al describir a la perfección el comportamiento del electrón y de la radiación, pero no fue capaz de explicar el protón, el neutrón y los mesones. Ello llevó a que muchos físicos mantuvieran la imagen incorrecta de que el universo está formado a nivel fundamental por partículas, siendo los campos meras construcciones matemáticas para entender la interacción entre electrones y fotones, no aplicables ni a la interacción fuerte ni a la interacción débil, ni a nivel cuántico al a gravedad.
La idea de que sólo existen los campos y que las partículas son un epifenómeno, que físicos como Wheeler y Feynman tenían muy claro ya desde principios de los 1940, era considerada herética, o al menos muy especulativa, por la mayoría de los físicos.
La opinión general era que no existía ningún campo detrás de la función de onda descrita por la ecuación de Schrödinger o por la ecuación de Dirac. Se trata de una simple construcción matemática y no tiene ningún tipo de realidad.
Sólo existen las partículas. Sin embargo, a principios de los 1970, la teoría cuántica de campos renació con fuerza y retornó para no abandonarnos nunca más.
Desde entonces la mayoría de los físicos aceptó que la descripción correcta de la realidad es la teoría cuántica de campos. Siendo la a mecánica cuántica no relativista una aproximación efectiva que utiliza un objeto, la función de onda solución de la ecuación de Schrödinger, que no es un campo cuántico y por tanto no tiene realidad en sí misma.
La función de onda no es más que un concepto efectivo, una simple herramienta matemática para calcular propiedades efectivas de las partículas, que son excitaciones localizadas de los campos. No existe una realidad descrita por funciones de onda que describen partículas que pueden estar en más de un estado energético o en más de un lugar de forma simultánea.
La realidad estás descrita por campos cuánticos y experimentos como el de doble rendija se puede interpretar utilizando campos.
El experimento de la doble rendija ha sido realizado con fotones, electrones, neutrones y incluso fullerenos.
Con partículas fundamentales como los fotones y los electrones, la explicación del experimento utilizando campos parece muy clara, pues sigue punto a punto la explicación utilizando ondas.
¿Pero cómo se pueden interpretar moléculas como un fullereno utilizando campos?
Como es obvio, desde un punto de vista operacional, no tiene sentido usar una descripción de múltiples campos en interacción para describir una molécula o un átomo. El formalismo matemático necesario es imposible de aplicar.
De hecho, hasta fechas muy recientes no hemos empezado a entender cómo un protón está formado por quarks y gluones.
Pero desde el punto de vista conceptual y metafísico, la interpretación correcta de una molécula no es otra que un conjunto de excitaciones de campos en interacción mutua. Cuando se detectan las partículas una a una, por ejemplo, en la pantalla tras la doble rendija, pasa algo parecido a lo que se observa en una cámara de burbujas.
La localización es una característica del proceso de detección mediado por el proceso de decoherencia cuántica.
Los patrones de interferencia en la pantalla de detección reflejan la naturaleza como campo de las partículas que inciden sobre las rendijas, pero no podemos olvidar que corresponden a ondas en campos. Imaginar las “partículas” desde un punto de vista clásico como pequeñas bolitas o incluso desde un punto de vista matemático como simples puntos del espaciotiempo dotados de propiedades nos lleva a paradojas aparentes que complican
